FUSB302MPX 中文详细手册

1. 引言

FUSB302MPX 是一款由 ON Semiconductor（安森美半导体）设计的高度集成的 USB Type-C 端口控制器，专为实现 USB Power Delivery (USB PD) 规范而优化。在当今电子设备日益小型化、功能多样化的趋势下，统一的电源和数据接口变得至关重要。USB Type-C 和 USB PD 技术应运而生，旨在提供更强的供电能力、更灵活的充电方向以及更高速的数据传输。FUSB302MPX 正是这一技术浪潮中的关键组件，它能够简化 USB Type-C 端口的实现，使其能够智能地管理电源协商、数据角色交换以及各种连接状态。

FUSB302MPX 的核心优势在于其高度的集成性，它集成了 USB PD 物理层 (PHY)、Type-C 配置通道 (CC) 逻辑以及必要的模拟前端，从而大大减少了外部元件的数量，降低了系统成本和 PCB 空间占用。它支持多种 USB PD 角色，包括下行端口 (DFP)、上行端口 (UFP) 和双角色端口 (DRP)，使其能够灵活地应用于电源适配器、移动电源、智能手机、平板电脑、笔记本电脑以及各种嵌入式系统。通过精确的 CC 引脚检测和管理，FUSB302MPX 能够自动识别连接类型、方向以及电流能力，并根据 USB PD 协议进行电源协商，从而实现高效、安全的电力传输。本手册将深入探讨 FUSB302MPX 的技术细节、功能特性、寄存器配置、应用电路以及设计注意事项，旨在为工程师提供全面的参考，以加速基于 FUSB302MPX 的产品开发。

2. USB Type-C 和 USB Power Delivery 概述

在深入了解 FUSB302MPX 之前，有必要对 USB Type-C 和 USB Power Delivery (USB PD) 这两项紧密相关的技术进行简要概述。它们共同构成了现代电子设备电源和数据连接的基础。

2.1 USB Type-C 连接器

USB Type-C 是一种全新的物理连接器标准，旨在取代之前各种 USB 接口（如 Type-A、Type-B、Micro-USB 等）。它的设计具有以下显著特点：

• 可逆插拔性： Type-C 连接器没有正反之分，用户可以任意方向插入，极大提升了用户体验。这得益于其对称的引脚布局。

• 双向性： Type-C 连接器支持电力和数据流的双向传输。这意味着一个端口既可以作为供电方 (Source)，也可以作为受电方 (Sink)，并且可以同时传输数据。

• 紧凑尺寸： Type-C 连接器比传统的 Type-A 连接器更小，更适合轻薄型设备。

• 高引脚数量： Type-C 连接器拥有 24 个引脚，包括四对差分高速数据线 (TX/RX)、四对地线 (GND)、两根 VBUS 供电线、两根配置通道 (CC) 线、两根边带使用 (SBU) 线以及一根 VCONN 供电线。这些引脚为未来的功能扩展提供了可能性。

• 配置通道 (CC) 引脚： 这是 Type-C 连接器的核心创新之一。CC1 和 CC2 引脚用于检测连接状态、识别连接方向、确定电缆类型（有源或无源）、协商初始电流能力以及作为 USB PD 通信的物理层。FUSB302MPX 正是利用这些 CC 引脚进行其大部分核心操作。

2.2 USB Power Delivery (USB PD)

USB PD 是一种基于 USB Type-C 连接器的电源传输协议，旨在提供更强大、更灵活的充电能力，远超传统 USB 接口的限制。USB PD 的主要特性包括：

• 更高的功率传输： USB PD 规范最初支持高达 100W (20V @ 5A) 的功率传输，最新版本甚至可以支持 240W。这使得 USB Type-C 接口能够为笔记本电脑、显示器等高功耗设备供电。

• 角色互换： USB PD 允许设备在供电方 (Source) 和受电方 (Sink) 之间动态切换角色，甚至在数据角色 (Host/Device) 和电源角色之间独立切换。例如，一个笔记本电脑在连接到电源适配器时是受电方，但连接到手机时可以作为供电方为手机充电。

• 灵活的电压和电流： USB PD 不再局限于固定的 5V 电压，而是支持更广泛的电压范围，如 5V、9V、12V、15V 和 20V，以及可编程电源 (PPS) 模式，允许更精细的电压调整，从而提高充电效率。

• 智能电源协商： 通过 USB PD 协议，连接的设备可以相互通信，协商最佳的电源合同 (Power Contract)。这包括请求和提供不同的电压和电流组合，以满足设备的特定需求。

• 数据和电源共存： USB PD 协议与 USB 数据协议（如 USB 2.0、USB 3.1、USB 4）并行工作，允许在同一根电缆上同时进行高速数据传输和高功率充电。

• 电缆识别： USB PD 协议能够识别电缆的类型和能力，例如是否支持高电流、是否为有源电缆等。VCONN 供电用于为有源电缆内部的电子标记芯片供电。

FUSB302MPX 作为 USB PD 的物理层和策略引擎的一部分，负责处理 CC 引脚上的通信，解析 USB PD 消息，并根据系统微控制器的指令执行电源协商，从而实现上述所有功能。

3. FUSB302MPX 核心特性

FUSB302MPX 是一款功能强大的 USB Type-C 端口控制器，其设计旨在简化 USB PD 的实现。以下是其主要核心特性：

• 完全集成的 USB PD 物理层 (PHY)： FUSB302MPX 内部集成了 USB PD 协议所需的模拟前端，包括 CC 引脚上的电压检测、电流源和接收器。这使得它能够直接与 Type-C 连接器的 CC 引脚连接，无需额外的分立元件。

• 支持 USB PD 2.0/3.0 规范： 它能够处理 USB PD 2.0 和 3.0 规范中的所有消息类型，包括能力广播 (Source Capabilities)、请求 (Request)、接受 (Accept)、拒绝 (Reject) 等，以及更高级的 PPS (Programmable Power Supply) 消息。

• 双角色端口 (DRP) 支持： FUSB302MPX 能够配置为 DRP 模式，这意味着它可以在不连接任何设备时作为供电方 (Source)，在连接到需要供电的设备时作为受电方 (Sink)。这种动态角色切换能力极大地增强了设备的灵活性。

• 下行端口 (DFP) 和上行端口 (UFP) 支持： 除了 DRP，它还可以被配置为纯 DFP 模式（如电源适配器）或纯 UFP 模式（如移动电话）。

• CC 引脚电压检测： FUSB302MPX 能够精确检测 CC 引脚上的电压，以识别连接状态（无连接、连接到 DFP、连接到 UFP、连接到有源电缆等）、电缆方向以及初始电流能力。

• 内置 CC 上拉/下拉电阻： 芯片内部集成了 USB Type-C 规范所需的 Rp（上拉电阻）和 Rd（下拉电阻），用于在 DFP 和 UFP 模式下进行连接检测和电流能力广播。这些电阻可以通过软件进行配置和切换。

• VCONN 供电和电流检测： FUSB302MPX 能够为有源 USB Type-C 电缆的电子标记芯片提供 VCONN 电源，并能检测 VCONN 上的电流，以识别有源电缆的存在。

• 死电池支持： 即使电池完全耗尽，FUSB302MPX 也能在 VBUS 存在的情况下启动并进行电源协商，确保设备能够被充电。

• 低功耗模式： 芯片支持低功耗模式，有助于延长电池供电设备的续航时间。

• I2C 接口： FUSB302MPX 通过标准的 I2C 接口与外部微控制器进行通信。微控制器可以通过 I2C 读取芯片状态、配置寄存器以及发送和接收 USB PD 消息。

• 中断输出： 芯片提供中断引脚，用于通知微控制器重要的事件，如连接状态变化、PD 消息接收、故障发生等，从而实现事件驱动的系统响应。

• 集成 VBUS 监测： FUSB302MPX 能够监测 VBUS 上的电压，以确保电源协商的正确性和安全性。

• 集成 VBUS 开关控制： 芯片提供 VBUS 开关的控制信号，允许微控制器通过外部 MOSFET 或负载开关来控制 VBUS 的通断，实现电源的精确管理。

• 硬件重置和软件重置： 支持硬件重置引脚和软件重置命令，以便于系统恢复和调试。

• 紧凑型封装： FUSB302MPX 通常采用小尺寸封装，如 12 引脚 QFN 封装，适用于空间受限的应用。

这些特性使得 FUSB302MPX 成为实现 USB Type-C 和 USB PD 功能的理想选择，它将复杂的协议处理和模拟前端集成在一个芯片中，极大地简化了系统设计和开发。

4. 引脚描述与功能

FUSB302MPX 通常采用 12 引脚 QFN 封装，其引脚功能对于正确设计和集成至关重要。以下是典型引脚的描述及其功能：

引脚连接注意事项：

• 电源去耦： 在 VCC 引脚附近放置一个 0.1μF 的陶瓷去耦电容，以滤除电源噪声并确保芯片稳定工作。

• I2C 上拉电阻： SCL 和 SDA 引脚需要外部上拉电阻（通常为 2.2kΩ 到 10kΩ，取决于总线电容和时钟频率），连接到 VCC。

• CC 引脚保护： 尽管 FUSB302MPX 的 CC 引脚具有一定的 ESD 保护，但在恶劣环境下，可能需要额外的外部 ESD 保护元件。

• VBUS_DET 分压器： VBUS_DET 引脚通常需要一个电阻分压器，将高电压的 VBUS 降压到 FUSB302MPX 的输入电压范围（通常小于 VCC）。分压比应根据 VBUS 的最大电压和 FUSB302MPX 的 VBUS_DET 阈值进行计算。

• VBUS/VCONN_EN_N 控制： 这些引脚是低电平有效输出，用于驱动外部电源开关。设计时应确保外部开关的驱动逻辑与 FUSB302MPX 的输出兼容。

正确理解和连接这些引脚是 FUSB302MPX 成功应用的基础。

5. 寄存器映射与配置

FUSB302MPX 的所有功能都通过其内部寄存器进行配置和控制。微控制器通过 I2C 接口读写这些寄存器，从而实现对芯片行为的精细控制。以下是一些关键寄存器及其功能概述。请注意，具体的寄存器地址和位定义应参考 FUSB302MPX 的最新数据手册。

5.1 寄存器访问

FUSB302MPX 的 I2C 从设备地址通常为 0x22 (7 位地址)。所有寄存器读写操作都通过这个地址进行。

5.2 关键寄存器概述

5.2.1 DEVICE_ID 寄存器 (只读)

• 功能： 包含芯片的设备 ID 和版本信息。用于验证芯片是否正确连接和识别。

5.2.2 CONTROL 寄存器 (读/写)

• 功能： 控制芯片的通用操作，如软件重置、中断使能、DRP 模式使能等。

• 重要位：

• SW_RESET：置位该位可执行软件重置。

• INT_MASK：控制中断输出是否被屏蔽。

• DRP_TOGGLE_EN：使能 DRP 模式下的自动角色切换。

• DRP_TOGGLE_TIME：配置 DRP 模式下角色切换的间隔时间。

5.2.3 MEASURE 寄存器 (读/写)

• 功能： 控制 CC 引脚的测量功能，用于检测连接状态和电流能力。

• 重要位：

• MEAS_CC1：使能 CC1 引脚的测量。

• MEAS_CC2：使能 CC2 引脚的测量。

• MDAC_EN：使能测量 DAC（用于设置比较阈值）。

• MDAC_VAL：设置测量 DAC 的值，用于检测 Rp/Rd 电压。

5.2.4 SWITCHES0 寄存器 (读/写)

• 功能： 配置 CC 引脚上的内部开关和电阻，以实现不同的连接模式和功能。

• 重要位：

• PU_EN1 / PU_EN2：使能 CC1/CC2 上的上拉电阻 (Rp)。

• PD_EN1 / PD_EN2：使能 CC1/CC2 上的下拉电阻 (Rd)。

• VCONN_CC1 / VCONN_CC2：将 VCONN 电源连接到 CC1/CC2。

• MEAS_CC1 / MEAS_CC2：将 CC1/CC2 连接到测量电路。

• TX_CC1 / TX_CC2：将 CC1/CC2 连接到 PD 发送器。

• RX_CC1 / RX_CC2：将 CC1/CC2 连接到 PD 接收器。

5.2.5 SWITCHES1 寄存器 (读/写)

• 功能： 进一步配置 CC 引脚上的开关，特别是用于 USB PD 消息的发送和接收。

• 重要位：

• AUTO_CRC：使能自动 CRC 生成和检查。

• SPEC_REV：设置 USB PD 规范版本。

• POWER_ROLE：设置芯片的电源角色（Source/Sink）。

• DATA_ROLE：设置芯片的数据角色（Host/Device）。

• AUTO_PREAMBLE：使能自动前导码生成。

5.2.6 MEAS_VBUS 寄存器 (读/写)

• 功能： 控制 VBUS 测量功能，并设置 VBUS 监测的阈值。

• 重要位：

• VBUS_MEAS_EN：使能 VBUS 测量。

• VBUS_MDAC_VAL：设置 VBUS 测量 DAC 的值，用于比较 VBUS 电压。

5.2.7 STATUS0 寄存器 (只读)

• 功能： 提供芯片的当前状态信息，包括连接状态、PD 消息接收状态等。

• 重要位：

• ALERT：指示是否有未处理的中断事件。

• ACTIVITY：指示 CC 线是否有活动。

• CRC_CHK：指示接收到的 PD 消息的 CRC 校验结果。

• RX_EMPTY：指示接收 FIFO 是否为空。

• RX_FULL：指示接收 FIFO 是否已满。

5.2.8 STATUS1 寄存器 (只读)

• 功能： 提供更详细的状态信息，如 VBUS 状态、连接类型等。

• 重要位：

• VBUS_OK：指示 VBUS 电压是否在可接受范围内。

• CC1_STATE / CC2_STATE：指示 CC1/CC2 引脚的当前状态（如 Rp、Rd、Open）。

• ATT_CBL：指示是否连接到有源电缆。

52.9 INTERRUPT 寄存器 (只读，读后清零)

• 功能： 记录发生的中断事件。读取此寄存器会自动清除相应的中断标志。

• 重要位：

• I_OCP：过流保护中断。

• I_VBUS_DET：VBUS 检测状态变化中断。

• I_CC_STATE：CC 引脚状态变化中断。

• I_RX_FULL：接收 FIFO 满中断。

• I_TX_DONE：PD 消息发送完成中断。

5.2.10 FIFO 寄存器 (读/写)

• 功能： 用于 USB PD 消息的发送和接收。发送消息时写入此寄存器，接收消息时从其读取。

• 注意： FIFO 寄存器通常是伪寄存器，每次读写都会访问 FIFO 的下一个可用位置。

5.3 寄存器配置流程示例

一个典型的 FUSB302MPX 启动和配置流程可能包括以下步骤：

1. 硬件重置： 拉低 RESET_N 引脚或发送软件重置命令。

2. 读取 DEVICE_ID： 验证芯片是否正常工作。

3. 配置 CONTROL 寄存器： 设置 DRPToggle 模式、中断使能等。

4. 配置 SWITCHES0/SWITCHES1 寄存器： 根据所需的角色（DFP/UFP/DRP）配置 CC 引脚的上拉/下拉电阻，并使能测量和 PD 收发器。

5. 配置 MEASURE 寄存器： 设置 CC 引脚的测量阈值。

6. 配置 MEAS_VBUS 寄存器： 设置 VBUS 监测阈值。

7. 使能中断： 配置 CONTROL 寄存器，使能 INT_N 输出。

8. 进入低功耗模式 (可选)： 在空闲时进入低功耗模式以节省电量。

9. 等待中断： 微控制器进入低功耗模式或等待 FUSB302MPX 的中断，以响应连接事件或 PD 消息。

通过对这些寄存器的精确控制，微控制器能够全面管理 FUSB302MPX 的行为，实现复杂的 USB PD 功能。

6. 操作模式

FUSB302MPX 能够支持 USB Type-C 和 USB PD 规范中定义的多种操作模式，使其能够适应不同的应用场景。理解这些模式对于正确配置和使用 FUSB302MPX 至关重要。

6.1 下行端口 (DFP - Downstream Facing Port)

DFP 通常是电源的提供者，例如 USB Type-C 墙式充电器、笔记本电脑的 Type-C 端口（当它为其他设备充电时），或 USB 集线器。

• 特点：

• 在 CC 引脚上提供上拉电阻 (Rp)。

• 检测到 UFP 的下拉电阻 (Rd) 时，建立连接。

• 作为 USB PD Source，广播其供电能力 (Source Capabilities)。

• 响应 UFP 的电源请求 (Request)，并提供 VBUS 电源。

• 可以作为 USB Host 传输数据。

• FUSB302MPX 配置：

• 通过配置 SWITCHES0 寄存器，使能 CC1 和 CC2 引脚上的 Rp。

• 通过 SWITCHES1 寄存器设置 POWER_ROLE 为 Source。

• 微控制器负责广播 Source Capabilities 和响应 Request 消息。

• 当 FUSB302MPX 检测到有效的 UFP 连接时（通过 CC 引脚电压），会触发中断通知微控制器。

6.2 上行端口 (UFP - Upstream Facing Port)

UFP 通常是电源的消耗者，例如智能手机、平板电脑、移动电源（当它被充电时），或连接到电脑的 USB 外设。

• 特点：

• 在 CC 引脚上提供下拉电阻 (Rd)。

• 检测到 DFP 的上拉电阻 (Rp) 时，建立连接。

• 作为 USB PD Sink，接收 DFP 的供电能力广播。

• 根据自身需求，向 DFP 发送电源请求 (Request)。

• 可以作为 USB Device 传输数据。

• FUSB302MPX 配置：

• 通过配置 SWITCHES0 寄存器，使能 CC1 和 CC2 引脚上的 Rd。

• 通过 SWITCHES1 寄存器设置 POWER_ROLE 为 Sink。

• 微控制器负责解析 Source Capabilities 和发送 Request 消息。

• 当 FUSB302MPX 检测到有效的 DFP 连接时，会触发中断通知微控制器。

6.3 双角色端口 (DRP - Dual Role Port)

DRP 端口是最灵活的模式，它可以在 DFP 和 UFP 之间动态切换。例如，笔记本电脑的 Type-C 端口，它既可以为手机充电（DFP），也可以通过电源适配器自身充电（UFP）。

• 特点：

• 在未连接时，DRP 端口会周期性地在 DFP 模式（提供 Rp）和 UFP 模式（提供 Rd）之间切换。

• 当检测到连接时，它会根据对方的 CC 引脚状态确定初始角色。

• 连接建立后，可以通过 USB PD 协议进行角色互换（Power Role Swap, Data Role Swap）。

• FUSB302MPX 配置：

• 通过配置 CONTROL 寄存器中的 DRP_TOGGLE_EN 位来使能 DRP 自动切换功能。

• DRP_TOGGLE_TIME 位可以配置切换的周期。

• SWITCHES0 寄存器中的 DRP_EN 位也需要使能。

• FUSB302MPX 会自动处理 Rp/Rd 的切换和连接检测。微控制器需要监听中断，以响应连接建立和角色确定。

6.4 调试附件模式 (Debug Accessory Mode)

USB Type-C 规范还定义了调试附件模式，允许通过 Type-C 端口进行调试。FUSB302MPX 可以检测并支持这种模式，但具体的调试功能实现通常需要外部调试工具和软件。

6.5 音频附件模式 (Audio Accessory Mode)

Type-C 端口也可以支持模拟音频输出，通过特定的 CC 引脚状态进入音频附件模式。FUSB302MPX 能够检测到这种模式，并通知微控制器。

6.6 模式切换和角色互换

在 USB PD 中，角色互换是一个重要的概念。FUSB302MPX 作为 PD 物理层，支持以下角色互换：

• 电源角色互换 (Power Role Swap - PRS)： 连接建立后，如果 DFP 需要从 UFP 获取电源，或者 UFP 需要向 DFP 提供电源，它们可以通过发送 PRS 消息来交换电源角色。FUSB302MPX 会处理 PRS 消息的收发，并通知微控制器进行 VBUS 的切换。

• 数据角色互换 (Data Role Swap - DRS)： 类似地，数据角色（Host/Device）也可以通过 DRS 消息进行互换。FUSB302MPX 会处理 DRS 消息，并通知微控制器更新其 USB 数据控制器。

• VCONN 角色互换 (VCONN Swap)： 用于确定哪一方为有源电缆提供 VCONN 电源。FUSB302MPX 能够参与 VCONN 角色互换。

FUSB302MPX 的多模式支持和灵活的角色互换能力使其成为各种 USB Type-C 和 USB PD 应用的理想选择。微控制器通过配置相应的寄存器并响应中断，可以实现这些复杂的模式切换和管理。

7. 电源协商与管理

电源协商是 USB Power Delivery (USB PD) 的核心功能，它允许连接的设备智能地商定最佳的电源合同。FUSB302MPX 在这个过程中扮演着关键的物理层和消息处理角色。

7.1 电源协商流程

一个典型的 USB PD 电源协商流程如下：

1. 连接检测与角色确定：

• 当 Type-C 连接器插入时，FUSB302MPX 通过检测 CC1/CC2 引脚上的电压（基于 Rp/Rd 的存在）来识别连接方向和初始角色（DFP 或 UFP）。

• 如果是 DRP 模式，FUSB302MPX 会在 DFP 和 UFP 角色之间切换，直到检测到连接。

• 一旦连接建立，FUSB302MPX 会触发中断，通知微控制器连接已建立，并指示哪个 CC 引脚是活动的。

2. 源端能力广播 (Source Capabilities)：

• 作为 DFP (Source)，微控制器会指示 FUSB302MPX 发送一个或多个 Source Capabilities 消息。这些消息包含了源端可以提供的所有电源能力（如 5V/3A, 9V/2A, 15V/3A, 20V/5A 等）。

• FUSB302MPX 负责将这些消息封装并通过 CC 线发送出去。

3. 接收端请求 (Request)：

• 作为 UFP (Sink)，FUSB302MPX 接收到 DFP 发送的 Source Capabilities 消息后，会通过中断通知微控制器。

• 微控制器解析这些能力，并根据自身的电源需求，选择一个最合适的能力，然后指示 FUSB302MPX 发送一个 Request 消息给 DFP。Request 消息包含所请求的电压、电流和操作模式。

4. 源端响应 (Accept/Reject)：

• 作为 DFP (Source)，FUSB302MPX 接收到 UFP 发送的 Request 消息后，会通过中断通知微控制器。

• 微控制器评估这个请求。如果请求的能力可以满足，微控制器会指示 FUSB302MPX 发送一个 Accept 消息。如果不能满足，则发送 Reject 消息。

• 如果发送 Accept，源端会开始调整 VBUS 电压和电流以匹配请求。

5. 接收端确认 (PS_RDY)：

• 作为 UFP (Sink)，FUSB302MPX 接收到 DFP 发送的 Accept 消息后，会通过中断通知微控制器。

• 当 UFP 检测到 VBUS 电压已经稳定在请求的水平时，微控制器会指示 FUSB302MPX 发送一个 PS_RDY (Power Supply Ready) 消息给 DFP，表示电源合同已成功建立。

6. 电源合同建立：

• 当 DFP 收到 PS_RDY 消息后，表示电源合同已成功建立，设备可以开始正常工作或充电。

7.2 可编程电源 (PPS - Programmable Power Supply)

USB PD 3.0 引入了 PPS 模式，允许更精细的电压和电流调整，从而提高充电效率和减少热量。

• 特点：

• PPS 允许源端提供一个电压范围（例如 3.3V 至 21V），接收端可以在此范围内以 20mV 或 50mV 的步长请求特定电压。

• 电流也可以在一定范围内进行调整。

• 这对于电池充电尤其有用，因为它可以根据电池的充电状态动态调整电压和电流，实现更快的充电速度和更低的损耗。

• FUSB302MPX 支持： FUSB302MPX 能够处理 PPS 相关的 PD 消息，微控制器需要根据 PPS 协议来解析和生成这些消息。

7.3 VBUS 管理

FUSB302MPX 提供了 VBUS_DET 和 VBUS_EN_N 引脚来协助 VBUS 的管理。

• VBUS_DET： FUSB302MPX 通过此引脚监测 VBUS 的电压。微控制器可以读取 MEAS_VBUS 寄存器来获取 VBUS 状态，并设置阈值以触发中断。这对于判断 VBUS 是否存在、是否达到目标电压以及是否发生过压/欠压情况至关重要。

• VBUS_EN_N： 此引脚用于控制外部 VBUS 电源开关。当 DFP 需要提供 VBUS 或 UFP 需要断开 VBUS 时，微控制器会通过 FUSB302MPX 控制此引脚，从而控制 VBUS 的通断。

7.4 故障保护与异常处理

在电源协商过程中，可能会出现各种异常情况，FUSB302MPX 提供了基本的故障检测能力：

• VBUS 监测： 监测 VBUS 电压是否稳定，是否在协商的范围内。

• 过流保护 (OCP)： 虽然 FUSB302MPX 本身不直接提供大电流的 OCP，但它可以与外部 OCP 电路配合，并在检测到异常时通知微控制器。

• 消息错误： FUSB302MPX 会检查 PD 消息的 CRC 校验，如果发现错误，会通知微控制器。

• 协议超时： 如果在预定时间内未收到预期的 PD 消息，微控制器应处理超时情况。

微控制器在电源管理中扮演着核心角色，它负责执行 USB PD 协议栈、解析 FUSB302MPX 报告的状态、生成相应的 PD 消息，并控制外部电源管理单元（如 DC-DC 转换器、负载开关）以实现精确的电源输出和输入。FUSB302MPX 作为其底层的物理接口，确保了 PD 消息的可靠传输和 CC 引脚的正确管理。

8. 数据角色交换

USB Type-C 和 USB PD 不仅关注电源传输，也关注数据传输。数据角色交换 (Data Role Swap - DRS) 是 USB PD 协议的一部分，它允许连接的设备在 USB 数据角色（主机 Host 或设备 Device）之间进行动态切换，而无需断开连接。FUSB302MPX 在此过程中负责处理 DRS 消息的物理层传输。

8.1 数据角色概述

• 主机 (Host)： 通常是提供数据连接的设备，例如电脑、智能手机（在 OTG 模式下）。它负责枚举和管理连接到其 USB 端口的设备。

• 设备 (Device)： 通常是连接到主机的外设，例如 USB 闪存盘、键盘、鼠标或连接到电脑的智能手机。

在传统的 USB 连接中，数据角色是固定的，通常由连接器的类型决定（例如，USB Type-A 端口通常是主机，Type-B 或 Micro-USB 端口通常是设备）。然而，USB Type-C 的可逆插拔和双向性使得数据角色的灵活性成为可能。

8.2 数据角色交换流程

在 USB Type-C 连接建立并完成电源协商后，设备可以根据需要发起数据角色交换。典型的 DRS 流程如下：

1. 发起 DRS 请求：

• 当前的数据角色方（Host 或 Device）决定需要交换数据角色。例如，一部手机在连接到电脑时最初可能作为 Device，但如果它想通过 OTG 功能连接 USB 闪存盘，它可能需要成为 Host。

• 发起方微控制器指示 FUSB302MPX 发送一个 Data Role Swap (DR_Swap) 消息给对方。

2. 接收 DRS 请求：

• FUSB302MPX 接收到 DR_Swap 消息后，会通过中断通知其连接的微控制器。

• 接收方微控制器解析 DR_Swap 消息，并评估是否同意交换角色。

3. 响应 DRS 请求：

• 如果接收方同意交换，其微控制器会指示 FUSB302MPX 发送一个 Accept 消息。

• 如果接收方不同意，则发送 Reject 消息。

4. 执行角色切换：

• 当发起方收到 Accept 消息后，双方的微控制器开始执行数据角色的实际切换。这通常涉及重新配置各自的 USB 数据控制器（如 USB 主机控制器或 USB 设备控制器）。

• 在切换过程中，USB 数据连接可能会暂时中断。

• 一旦双方都完成了数据角色的重新配置，数据连接将以新的角色建立。

8.3 FUSB302MPX 在 DRS 中的作用

FUSB302MPX 作为 USB PD 物理层，其主要职责是：

• 消息传输： 负责 DR_Swap、Accept 和 Reject 等 PD 消息的物理层编码、发送和解码、接收。它确保这些消息能够可靠地在 CC 线上传输。

• 中断通知： 当 FUSB302MPX 接收到 DR_Swap 消息或完成 DR_Swap 消息的发送时，它会触发中断，通知微控制器进行相应的处理。

FUSB302MPX 本身不直接执行 USB 数据角色的切换（例如，它不控制 USB D+/D- 或 SuperSpeed 差分对）。这些操作由连接到 FUSB302MPX 的主系统微控制器和其内部的 USB 控制器来完成。FUSB302MPX 只是提供了 PD 消息的通信机制，使得微控制器能够协调数据角色的交换。

8.4 设计考虑

• 微控制器参与： 数据角色交换是一个需要微控制器深度参与的过程。微控制器必须实现 USB PD 协议栈，以解析和生成 DRS 消息，并根据协议要求重新配置其 USB 数据控制器。

• 时序管理： 在 DRS 过程中，需要严格遵守 USB PD 规范中定义的所有时序要求，以确保平稳的角色切换。

• 用户体验： 在数据角色交换时，用户可能会感觉到数据连接的短暂中断。在用户界面上提供适当的反馈可以提升用户体验。

• 与电源角色的独立性： 重要的是要理解，数据角色和电源角色是相对独立的。一个设备可以是数据 Host 但电源 Sink，也可以是数据 Device 但电源 Source。DRS 允许在不影响电源角色的情况下切换数据角色。

通过 FUSB302MPX 的支持，设备可以实现更灵活的数据连接管理，这对于支持多种功能（如 OTG、显示输出等）的 Type-C 设备至关重要。

9. VCONN 管理

VCONN 是 USB Type-C 规范中引入的一个重要概念，它为 USB Type-C 有源电缆 (Active Cable) 内部的电子标记芯片 (E-Marked Cable) 提供电源。FUSB302MPX 具备 VCONN 管理能力，这对于支持高功率传输和高速数据传输的复杂电缆至关重要。

9.1 什么是 VCONN？

• 目的： USB Type-C 电缆可以是无源的（Passive Cable），也可以是有源的。有源电缆内部集成了一个或多个电子标记芯片，这些芯片存储了电缆的属性信息，例如电缆的长度、支持的最大电流、支持的数据速度（如 USB 3.1 Gen2、USB4）、是否支持视频传输等。VCONN 就是为这些电子标记芯片供电的专用电源线。

• 电压： VCONN 的电压通常是 5V。

• 电流： VCONN 的电流能力通常限制在 80mA 左右，足以驱动电缆内部的电子标记芯片。

• 引脚： 在 USB Type-C 连接器中，CC1 和 CC2 引脚在连接建立后，其中一个会成为 VCONN 引脚，另一个继续作为 USB PD 通信的 CC 引脚。

9.2 VCONN 的作用

1. 电缆识别： 当 DFP 连接到 Type-C 电缆时，它会检测 CC 引脚。如果检测到电缆内部的电子标记芯片需要 VCONN 供电，DFP 会通过 FUSB302MPX 开启 VCONN。一旦 VCONN 供电成功，DFP 就可以通过 USB PD 协议与电子标记芯片通信，读取电缆的属性信息。

2. 确保兼容性： 通过读取电缆信息，DFP 可以确保所连接的电缆能够支持所请求的功率或数据速度。例如，如果一个 DFP 想要提供 20V/5A (100W) 的功率，它会检查电缆是否支持 5A 电流。如果电缆不支持，DFP 会降级其供电能力，以避免过载。

3. 支持高级功能： 对于 USB4 或 Thunderbolt 等需要更高数据速率的协议，通常需要有源电缆，VCONN 为这些电缆内部的信号重定时器或放大器供电。

9.3 FUSB302MPX 的 VCONN 管理功能

FUSB302MPX 提供了以下功能来支持 VCONN 管理：

• VCONN_EN_N 输出： FUSB302MPX 提供一个低电平有效的 VCONN_EN_N 输出引脚。当 FUSB302MPX 检测到有源电缆需要 VCONN 供电时，它会拉低此引脚，通知外部 VCONN 电源开关开启 VCONN。

• VCONN 角色互换 (VCONN Swap)： 在某些情况下，供电 VCONN 的角色可能需要从 DFP 切换到 UFP，或者反之。FUSB302MPX 能够处理 VCONN Swap 相关的 PD 消息。例如，如果 DFP 无法提供 VCONN，它可以请求 UFP 来提供 VCONN。

• VCONN 过流保护 (OCP)： 尽管 FUSB302MPX 本身不直接提供大电流的 OCP，但它通常与外部 VCONN OCP 电路配合。FUSB302MPX 可以监测 VCONN 上的电流，并在检测到过流时通过中断通知微控制器。

• CC 引脚的 VCONN 连接： FUSB302MPX 内部的 SWITCHES0 寄存器允许将 VCONN 电源连接到 CC1 或 CC2 引脚，具体取决于电缆的插入方向。

9.4 VCONN 管理流程

1. 连接检测： DFP 在 CC 引脚上提供 Rp，等待 UFP 的 Rd。

2. 有源电缆检测： 如果连接的电缆是有源电缆，其电子标记芯片会在未供电时表现出特定的 Rd 特性。DFP (FUSB302MPX) 检测到这种特性后，会识别出这可能是有源电缆。

3. 开启 VCONN： DFP 的微控制器指示 FUSB302MPX 开启 VCONN_EN_N，从而为有源电缆供电。

4. 读取电缆信息： 一旦 VCONN 稳定，DFP 的微控制器通过 USB PD 协议向电缆的电子标记芯片发送 Discover Identity 消息，并读取电缆的 VDM (Vendor Defined Message) 信息，获取电缆的属性。

5. 电源和数据协商： DFP 根据读取到的电缆信息，进行后续的电源协商和数据连接配置。例如，如果电缆不支持 5A 电流，DFP 将不会请求 5A 的电源合同。

VCONN 管理是 USB Type-C 生态系统中不可或缺的一部分，它确保了各种 Type-C 电缆的兼容性和功能性，特别是对于需要高功率和高数据速率的应用。FUSB302MPX 通过其集成的 VCONN 控制和监测功能，简化了这一复杂过程的实现。

10. 故障保护与异常处理

在任何电源管理系统中，故障保护和异常处理都是至关重要的，以确保设备和用户的安全。FUSB302MPX 提供了多层保护机制，并能够报告各种异常情况，以便微控制器能够及时响应。

10.1 FUSB302MPX 内置保护

虽然 FUSB302MPX 主要是一个 PD 端口控制器，但它也包含一些基本的保护功能或提供信号以协助外部保护电路：

• VBUS 欠压/过压检测： FUSB302MPX 通过 VBUS_DET 引脚监测 VBUS 电压。微控制器可以配置 MEAS_VBUS 寄存器中的阈值，当 VBUS 超出预设范围时，FUSB302MPX 会触发中断（I_VBUS_DET），通知微控制器存在异常电压。这对于防止设备在不正确的 VBUS 电压下工作至关重要。

• CC 引脚保护： CC 引脚是 FUSB302MPX 与外部连接的接口，它们对静电放电 (ESD) 和过压敏感。FUSB302MPX 内部集成了 ESD 保护，但对于更严苛的环境，可能需要额外的外部保护元件。

• VCONN 过流检测： FUSB302MPX 能够监测 VCONN 上的电流，并在电流超过预设阈值时触发中断，以防止 VCONN 供电电路过载。这通常需要外部的 VCONN 开关和电流检测电路配合。

10.2 需要微控制器协助的保护

许多更高级的故障保护和异常处理功能需要连接的微控制器来协调和执行：

• VBUS 过流保护 (OCP)： FUSB302MPX 本身不直接控制大电流的 VBUS OCP。通常，外部的电源管理单元（PMIC 或负载开关）会集成 OCP 功能。当外部 OCP 触发时，它会通知微控制器，然后微控制器可以指示 FUSB302MPX 关闭 VBUS (VBUS_EN_N)。

• VBUS 短路保护 (SCP)： 与 OCP 类似，SCP 通常由外部电源管理单元提供。

• VBUS 过压保护 (OVP)： 虽然 FUSB302MPX 可以检测 VBUS 过压，但实际的 OVP 动作（如关闭 VBUS）通常由外部 PMIC 或 OVP 电路执行。

• 过温保护 (OTP)： FUSB302MPX 本身可能没有内置温度传感器，但系统中的其他组件（如 PMIC 或处理器）会有。当检测到过温时，微控制器应采取措施，例如降低功率输出或关闭 VBUS。

• 协议错误处理：

• CRC 错误： FUSB302MPX 会检查接收到的 PD 消息的 CRC。如果 CRC 校验失败，它会报告错误，微控制器应重新请求消息或采取其他纠正措施。

• 消息超时： 如果在发送消息后未在规定时间内收到响应，微控制器应处理超时情况，并可能重试消息或进入错误状态。

• 无效消息： 接收到格式不正确或内容无效的 PD 消息时，微控制器应拒绝该消息并可能报告错误。

• 状态不一致： 如果 FUSB302MPX 报告的状态与微控制器预期的状态不符，微控制器应进行诊断。

10.3 异常处理策略

当检测到故障或异常时，微控制器应执行以下策略：

1. 中断响应： FUSB302MPX 会通过 INT_N 引脚触发中断。微控制器应及时响应中断，并读取 INTERRUPT 寄存器以确定具体的事件。

2. 错误日志： 记录所有检测到的故障和异常，以便于调试和后期分析。

3. 安全关闭： 对于严重的电源故障（如 VBUS OVP/OCP/SCP），应立即关闭 VBUS (VBUS_EN_N)，以防止对设备和连接设备造成损害。

4. 重试机制： 对于临时的通信错误（如 CRC 错误、消息超时），可以尝试重发消息。

5. 状态恢复： 在故障排除后，尝试将系统恢复到安全的工作状态，例如重新进行连接检测和电源协商。

6. 用户通知： 如果故障影响到用户体验，应通过 LED 指示灯或屏幕显示向用户提供反馈。

7. 死电池启动： 确保在电池完全耗尽时，FUSB302MPX 仍能正常工作，以便设备能够被充电。

通过 FUSB302MPX 提供的状态报告和微控制器的智能管理，可以构建一个鲁棒且安全的 USB Type-C 和 USB PD 系统。

11. 典型应用电路

FUSB302MPX 的应用电路相对简单，因为它集成了大部分所需的模拟前端。以下是一个典型的 FUSB302MPX 应用电路概念，用于说明其与外部组件的连接方式。请注意，这只是一个概念图，实际设计需要根据具体应用和组件选择进行调整。

11.1 DFP (Source) 应用电路示例

电路说明：

1. FUSB302MPX： 核心的 USB Type-C 端口控制器。

2. 微控制器 (MCU)： 主系统控制器，通过 I2C 与 FUSB302MPX 通信，执行 USB PD 协议栈，并控制电源管理单元。

3. USB Type-C 连接器： 连接外部 USB Type-C 设备。

• CC1, CC2：直接连接到 FUSB302MPX 的 CC1, CC2 引脚。

• VBUS：连接到外部 VBUS 电源开关的输出端。

• GND：连接到系统地。

• D+/D-, SSTX/SSRX：连接到微控制器内部或外部的 USB 数据控制器。

4. VBUS 电源开关 (P-MOSFET / 负载开关)：

• 由 VBUS_EN_N 引脚控制。当 VBUS_EN_N 为低电平时，开关导通，VBUS 输出电源。

• 通常需要一个驱动电路来正确驱动 MOSFET。

• 需要具备过流保护 (OCP) 和短路保护 (SCP) 功能。

5. VBUS 电源输入： 提供高功率的 VBUS 电源，例如来自 AC-DC 适配器或电池管理单元。

6. VBUS_DET 分压器：

• 由两个电阻 (R1, R2) 组成，将 VBUS 电压分压到 FUSB302MPX 的 VBUS_DET 引脚的输入范围。

• 分压比应确保在 VBUS 最大电压时，VBUS_DET 引脚的电压不超过 FUSB302MPX 的最大额定输入电压。

• 例如，如果 VBUS 最大 20V，FUSB302MPX 的 VBUS_DET 最大 3.3V，则分压比应为 20V / 3.3V ≈ 6.06。

7. VCONN 电源开关 (P-MOSFET / 负载开关)：

• 由 VCONN_EN_N 引脚控制。当检测到有源电缆时，FUSB302MPX 开启此开关，为电缆提供 VCONN 供电。

• 通常需要一个限流电阻或限流电路，因为 VCONN 电流较小。

8. I2C 上拉电阻： SCL 和 SDA 引脚需要连接到 VCC 的上拉电阻。

9. 电源去耦电容： 在 FUSB302MPX 的 VCC 引脚附近放置去耦电容。

11.2 UFP (Sink) 应用电路示例

电路说明：

1. FUSB302MPX： 核心的 USB Type-C 端口控制器。

2. 微控制器 (MCU)： 主系统控制器，通过 I2C 与 FUSB302MPX 通信，执行 USB PD 协议栈，并控制电源管理单元。

3. USB Type-C 连接器： 连接外部 USB Type-C 设备。

• CC1, CC2：直接连接到 FUSB302MPX 的 CC1, CC2 引脚。

• VBUS：连接到外部 VBUS 受电路径。

• GND：连接到系统地。

• D+/D-, SSTX/SSRX：连接到微控制器内部或外部的 USB 数据控制器。

4. VBUS 输入路径：

• 当作为 Sink 时，VBUS 是输入。

• 通常会有一个输入保护电路（如 OVP、OCP）和一个降压转换器（如 Buck 转换器）将 VBUS 降压到电池充电电压或系统工作电压。

• VBUS_EN_N 在 Sink 模式下通常用于控制 VBUS 路径的通断，例如在接收到 Reject 消息或发生故障时断开 VBUS。

5. VBUS_DET 分压器： 与 DFP 模式类似，用于监测 VBUS 输入电压。

6. VCONN 供电 (可选)： 在某些情况下，UFP 也可能需要提供 VCONN（例如，在 VCONN Swap 之后）。此时也需要 VCONN 电源开关。

7. I2C 上拉电阻和电源去耦电容： 与 DFP 模式相同。

11.3 DRP (Dual Role Port) 应用电路示例

DRP 电路结合了 DFP 和 UFP 的特性，通常需要更复杂的电源管理单元，能够根据电源角色切换 VBUS 的方向（供电或受电）。

电路说明：

• DRP 模式下，VBUS 电源管理单元需要是一个双向的 DC-DC 转换器或一个能够切换供电和受电路径的 PMIC。

• VBUS_EN_N 引脚将用于控制这个双向电源管理单元的 VBUS 输出/输入使能。

• 其他连接与 DFP/UFP 类似。

设计注意事项：

• PCB 布局： VBUS 路径应宽而短，以减少电阻和压降。CC 引脚和 I2C 走线应远离噪声源。

• ESD 保护： 在 Type-C 连接器附近添加额外的 ESD 保护元件，特别是对于 VBUS 和 CC 引脚。

• 电源完整性： 确保 VCC 和 VBUS 路径的电源完整性，使用足够的去耦电容。

• 热管理： 对于高功率应用，VBUS 开关和电源管理单元可能会产生大量热量，需要适当的散热设计。

这些应用电路示例为 FUSB302MPX 的硬件集成提供了基本框架。实际设计中，工程师需要根据具体的电源需求、数据速率、成本和空间限制来选择合适的外部组件。

12. 软件/固件开发指南

FUSB302MPX 的功能实现高度依赖于外部微控制器 (MCU) 的软件/固件。微控制器负责运行 USB PD 协议栈、配置 FUSB302MPX 寄存器、响应中断以及控制外部电源管理单元。以下是 FUSB302MPX 软件/固件开发的关键指南。

12.1 软件架构概述

一个典型的 FUSB302MPX 软件架构应包含以下模块：

1. 硬件抽象层 (HAL)：

• I2C 驱动： 提供读写 FUSB302MPX 寄存器的 I2C 接口函数。

• GPIO 驱动： 控制 RESET_N 和监测 INT_N 引脚。

• 定时器驱动： 用于实现各种 PD 协议超时和 DRP 切换定时。

2. FUSB302MPX 驱动层：

• 封装对 FUSB302MPX 寄存器的读写操作，提供更高级的 API（例如 FUSB302_Init(), FUSB302_SetRole(), FUSB302_ReadStatus() 等）。

• 处理中断事件，解析 INTERRUPT 寄存器，并分发到上层模块。

3. USB PD 协议栈：

• PD 消息解析/生成： 根据 USB PD 规范，解析接收到的 PD 消息，并生成要发送的 PD 消息。

• 状态机管理： 实现 USB PD 规范中定义的各种状态机（如连接状态机、电源协商状态机）。

• 能力管理： 存储和管理源端能力 (Source Capabilities) 和接收端能力 (Sink Capabilities)。

• 角色管理： 管理电源角色 (Source/Sink) 和数据角色 (Host/Device) 的切换。

• VCONN 管理： 处理 VCONN 供电和 VCONN Swap。

4. 电源管理层：

• 根据 PD 协议栈的指令，控制外部电源管理单元（如 DC-DC 转换器、负载开关），调整 VBUS 电压和电流。

• 监测 VBUS 状态，并与 FUSB302MPX 的 VBUS_DET 配合。

5. 应用层：

• 根据设备的具体功能，调用 PD 协议栈和电源管理层的 API，实现充电、供电、数据传输等功能。

• 提供用户界面反馈（如 LED 指示灯、屏幕显示）。

12.2 关键开发步骤

1. 初始化 FUSB302MPX：

• 在系统启动时，对 FUSB302MPX 进行硬件重置（通过 RESET_N 引脚或软件重置）。

• 通过 I2C 读取 DEVICE_ID 寄存器，验证芯片是否正常。

• 根据应用需求，配置 CONTROL、SWITCHES0、SWITCHES1、MEASURE、MEAS_VBUS 等寄存器，设置初始角色（DFP/UFP/DRP）和中断使能。

2. 中断处理：

• 配置微控制器的 GPIO 为外部中断模式，连接到 FUSB302MPX 的 INT_N 引脚。

• 在中断服务程序 (ISR) 中，读取 FUSB302MPX 的 INTERRUPT 寄存器，识别发生的中断事件。

• 根据中断类型，调用相应的处理函数（例如，连接状态变化、PD 消息接收、故障发生）。

3. CC 引脚状态检测：

• FUSB302MPX 会自动检测 CC 引脚上的电压变化。

• 微控制器通过读取 STATUS1 寄存器中的 CC1_STATE 和 CC2_STATE 位来判断连接状态（如未连接、连接到 DFP、连接到 UFP、连接到音频附件等）和电缆方向。

4. USB PD 消息收发：

• 接收： 当 FUSB302MPX 接收到 PD 消息时，会触发中断。微控制器从 FUSB302MPX 的 FIFO 寄存器中读取消息数据，并进行解析。

• 发送： 当微控制器需要发送 PD 消息时（如 Source Capabilities, Request, Accept 等），它将消息数据写入 FUSB302MPX 的 FIFO 寄存器，并触发发送。FUSB302MPX 会自动处理消息的物理层编码和传输。

5. 电源协商逻辑：

• 作为 Source (DFP)： 微控制器应广播其支持的电源能力。当收到 Request 消息时，评估请求并发送 Accept/Reject。

• 作为 Sink (UFP)： 微控制器应解析接收到的 Source Capabilities，选择最佳的电源配置，并发送 Request 消息。当收到 Accept 消息后，等待 VBUS 稳定并发送 PS_RDY。

• DRP 模式： 微控制器需要管理 DRP 切换逻辑，并在连接建立后根据初始角色进行相应的 PD 协商。

6. VBUS/VCONN 控制：

• 根据 PD 协商的结果，微控制器通过控制 VBUS_EN_N 和 VCONN_EN_N 引脚来控制外部 VBUS 和 VCONN 电源开关的通断。

• 持续监测 VBUS_DET 引脚，确保 VBUS 处于正常工作范围。

7. 错误处理与恢复：

• 实现对 FUSB302MPX 报告的各种故障（如 CRC 错误、VBUS 异常）的响应机制。

• 设计超时机制，以处理 PD 协议中的无响应情况。

• 在发生严重故障时，安全地关闭系统或尝试恢复。

12.3 调试技巧

• I2C 抓包： 使用逻辑分析仪或示波器监测 I2C 总线上的通信，验证微控制器是否正确读写 FUSB302MPX 寄存器。

• CC 线监测： 使用示波器监测 CC1/CC2 引脚上的电压波形，观察连接检测、PD 消息传输和 VCONN 状态。

• 打印调试信息： 在固件中添加详细的日志输出，记录 PD 消息内容、状态机转换和错误信息。

• USB PD 分析仪： 如果条件允许，使用专业的 USB PD 分析仪可以捕获和解析所有 PD 消息，极大地方便调试。

• 逐步调试： 在微控制器开发环境中，逐步执行代码，观察寄存器状态和变量值。

FUSB302MPX 的软件开发需要对 USB PD 规范有深入的理解，并具备扎实的嵌入式系统编程经验。利用 FUSB302MPX 提供的硬件功能，可以大大简化 USB PD 协议栈的实现。

13. 设计考虑与最佳实践

成功地将 FUSB302MPX 集成到产品中需要考虑多个方面，从硬件设计到软件实现，都应遵循最佳实践以确保稳定性、兼容性和安全性。

13.1 硬件设计考虑

• 电源完整性：

• VCC 去耦： 在 FUSB302MPX 的 VCC 引脚附近放置一个 0.1μF 或 0.01μF 的陶瓷去耦电容，以滤除高频噪声。

• VBUS 路径： VBUS 供电和受电路径应尽可能宽而短，以最大程度地减少电阻和电感，从而降低压降和热量。对于高电流应用，应使用多层 PCB 的内部电源层。

• 信号完整性：

• CC 引脚： CC1 和 CC2 引脚是 USB PD 通信的关键，应避免在这些引脚上引入过多的寄生电容或电感。走线应尽可能短，并远离高频噪声源。

• I2C 总线： SCL 和 SDA 走线应保持合理长度，并确保上拉电阻值合适，以保证 I2C 通信的稳定性和信号完整性。

• ESD 保护：

• USB Type-C 连接器是用户可接触的接口，极易受到静电放电 (ESD) 的影响。

• 在 Type-C 连接器的 VBUS、GND 和 CC 引脚上添加额外的 ESD 保护二极管阵列（如 TVS 二极管），以满足 IEC 61000-4-2 等标准的要求。FUSB302MPX 内部的 ESD 保护可能不足以应对所有情况。

• VBUS_DET 分压器：

• 仔细计算分压电阻的阻值，确保在 VBUS 最大电压时，FUSB302MPX 的 VBUS_DET 引脚电压不超过其最大额定值。

• 使用高精度、低温度系数的电阻，以确保 VBUS 检测的准确性。

• VBUS / VCONN 开关：

• 选择合适的外部 MOSFET 或负载开关，其额定电压和电流应高于应用的最大需求，并具备低导通电阻 (Rds(on)) 以减少功耗。

• 确保驱动电路能够正确驱动这些开关。

• 考虑开关的瞬态响应和 EMI 特性。

• 热管理：

• 对于高功率应用，VBUS 开关、电源管理单元和任何其他大电流路径都可能产生显著热量。

• PCB 布局应考虑散热，例如增加铜面积、使用散热过孔或散热片。

• 死电池支持： 确保 FUSB302MPX 的 VCC 在 VBUS 存在时能够被供电，即使主电池完全耗尽。这通常通过一个低功耗的 LDO 或 PMIC 的 VBUS 供电路径实现。

13.2 软件/固件开发最佳实践

• 遵循 USB PD 规范： 严格按照 USB PD 规范（特别是 USB PD 2.0 和 3.0）实现协议栈。不正确的协议实现可能导致兼容性问题。

• 模块化设计： 将软件划分为清晰的模块（如 HAL、FUSB302MPX 驱动、PD 协议栈、电源管理层），提高代码的可读性、可维护性和可重用性。

• 状态机驱动： 使用状态机来管理 USB PD 协议的复杂流程，确保在不同事件和条件下都能正确响应。

• 鲁棒的错误处理：

• 实现全面的错误检测机制，包括 CRC 校验、消息超时、无效消息等。

• 设计清晰的错误恢复策略，例如重试、安全关闭或进入故障模式。

• 在发生故障时，提供详细的日志记录，以便于调试。

• 中断驱动： 充分利用 FUSB302MPX 的 INT_N 引脚，采用中断驱动的方式处理事件，避免轮询，从而降低微控制器功耗和提高响应速度。

• 低功耗管理： 在空闲状态下，将 FUSB302MPX 和微控制器置于低功耗模式，以延长电池寿命。

• 固件更新能力： 考虑在产品中集成固件更新 (Firmware Over The Air - FOTA) 能力，以便在未来修复 bug 或添加新功能。

• 兼容性测试：

• 与各种 USB Type-C 和 USB PD 设备（包括不同品牌、不同功率等级的充电器、手机、笔记本电脑等）进行广泛的兼容性测试。

• 使用专业的 USB PD 协议分析仪进行测试，确保 PD 消息的正确性。

• 进行互操作性测试 (Interoperability Testing)。

13.3 生产和测试考虑

• 生产测试： 在生产线上对 FUSB302MPX 的基本功能进行测试，例如 I2C 通信、CC 引脚检测和 VBUS 控制。

• 校准： 如果 VBUS_DET 或其他模拟测量需要高精度，可能需要在生产过程中进行校准。

• 固件烧录： 确保微控制器的固件烧录过程可靠且高效。

通过遵循这些设计考虑和最佳实践，可以最大限度地发挥 FUSB302MPX 的潜力，并开发出稳定、兼容且高性能的 USB Type-C 和 USB PD 产品。

14. 常见问题与故障排除

在使用 FUSB302MPX 进行设计和开发时，可能会遇到各种问题。以下是一些常见问题及其故障排除建议。

14.1 I2C 通信问题

• 问题： 无法与 FUSB302MPX 建立 I2C 通信。

• I2C 地址： 确认微控制器使用的 I2C 从设备地址是否正确（通常为 0x22）。

• 引脚连接： 检查 SCL、SDA、VCC、GND 引脚是否正确连接。

• 上拉电阻： 检查 SCL 和 SDA 是否有正确的上拉电阻（通常为 2.2kΩ - 10kΩ）。

• 电源： 确认 FUSB302MPX 的 VCC 是否正常供电，并且去耦电容已正确放置。

• 硬件重置： 尝试拉低 RESET_N 引脚进行硬件重置。

• I2C 波形： 使用逻辑分析仪或示波器检查 I2C 波形，确认时钟和数据信号是否正常，是否有 ACK 信号。

• 检查：

14.2 连接检测问题

• 问题： 插入 Type-C 电缆后，FUSB302MPX 没有检测到连接或角色识别错误。

• CC 引脚连接： 确认 CC1 和 CC2 引脚直接连接到 Type-C 连接器，没有断路或短路。

• FUSB302MPX 配置： 确认 SWITCHES0 寄存器中的 PU_EN / PD_EN 位已根据所需的角色（DFP/UFP/DRP）正确配置。

• DRP 模式： 如果是 DRP 模式，确认 CONTROL 寄存器中的 DRP_TOGGLE_EN 已使能，并且 DRP_TOGGLE_TIME 设置合理。

• CC 引脚电压： 使用万用表或示波器测量 CC1/CC2 引脚上的电压。在未连接时，DFP 模式下应有 Rp 上拉电压，UFP 模式下应有 Rd 下拉电压。连接后，电压应根据对方的 Rp/Rd 而变化。

• 电缆问题： 尝试使用不同的 Type-C 电缆和设备进行测试，排除电缆或对方设备的问题。

• 检查：

14.3 USB PD 消息收发问题

• 问题： 无法发送或接收 USB PD 消息。

• FUSB302MPX 配置： 确认 SWITCHES0 寄存器中的 TX_CCx 和 RX_CCx 位已根据活动的 CC 引脚正确使能。

• FIFO 状态： 检查 STATUS0 寄存器中的 RX_EMPTY / RX_FULL 和 TX_EMPTY / TX_FULL 位，确保 FIFO 没有溢出或欠载。

• 中断： 确认 INT_N 引脚已连接到微控制器，并且微控制器能够正确响应中断并读取 INTERRUPT 寄存器。

• PD 协议栈： 检查微控制器中的 USB PD 协议栈实现。是否正确生成消息头、数据对象，并计算 CRC。是否正确解析接收到的消息。

• 协议时序： 检查是否遵循了 USB PD 规范中定义的所有消息发送和接收时序。

• PD 分析仪： 使用专业的 USB PD 分析仪捕获和解析 PD 消息，这是诊断 PD 协议问题的最有效方法。

• 检查：

14.4 VBUS 控制问题

• 问题： VBUS 无法打开或关闭，或电压不正确。

• VBUS_EN_N 连接： 确认 VBUS_EN_N 引脚正确连接到外部 VBUS 开关的驱动电路。

• 外部 VBUS 开关： 检查外部 MOSFET 或负载开关是否正常工作，其驱动电路是否正确。

• 电源路径： 确认 VBUS 供电路径（作为 Source）或受电路径（作为 Sink）没有断路或短路。

• VBUS_DET 分压器： 检查 VBUS_DET 引脚的分压电阻是否正确，确保 FUSB302MPX 能够正确监测 VBUS 电压。

• PD 协商状态： 确认 PD 协议栈已成功完成电源协商，并指示 FUSB302MPX 开启或关闭 VBUS。

• 检查：

14.5 VCONN 问题

• 问题： 无法为有源电缆供电或识别有源电缆。

• VCONN_EN_N 连接： 确认 VCONN_EN_N 引脚正确连接到外部 VCONN 开关的驱动电路。

• 外部 VCONN 开关： 检查外部 VCONN 开关是否正常工作。

• FUSB302MPX 配置： 确认 SWITCHES0 寄存器中的 VCONN_CCx 位已根据电缆方向正确配置。

• 电缆类型： 确认所使用的电缆确实是有源电缆（E-Marked Cable）。

• PD 消息： 确认微控制器在检测到有源电缆后，是否发送了正确的 PD 消息来读取电缆信息。

• 检查：

14.6 其他常见问题

• 功耗过高： 检查 FUSB302MPX 是否进入了低功耗模式。在空闲时，微控制器应指示 FUSB302MPX 进入低功耗状态。

• 兼容性问题： 尝试与不同品牌、型号的 Type-C 设备和充电器进行测试。USB PD 规范复杂，不同厂商的实现可能存在细微差异。

• 系统稳定性： 确保微控制器的固件没有死循环、内存泄漏或其他导致系统崩溃的问题。

在进行故障排除时，始终从最基本的检查开始，逐步深入。详细的日志记录和专业的测试工具是解决复杂问题的关键。

15. 总结

FUSB302MPX 作为一款高度集成的 USB Type-C 端口控制器，极大地简化了 USB Power Delivery 协议在各种电子设备中的实现。通过其内置的 PD 物理层、可配置的 CC 引脚逻辑以及与微控制器的 I2C 接口，FUSB302MPX 使得开发者能够高效地构建支持 DFP、UFP 和 DRP 角色的 Type-C 端口。

本手册详细介绍了 FUSB302MPX 的核心特性、引脚功能、寄存器映射与配置、多种操作模式、电源协商与管理、数据角色交换、VCONN 管理、故障保护以及典型应用电路和软件开发指南。我们还探讨了在设计和开发过程中应遵循的最佳实践，并提供了常见的故障排除建议。

FUSB302MPX 的强大功能和灵活性使其成为电源适配器、移动电源、智能手机、平板电脑、笔记本电脑以及各类嵌入式系统实现 USB Type-C 和 USB PD 功能的理想选择。通过深入理解其工作原理和正确应用，工程师可以加速产品开发周期，并确保其产品在日益普及的 USB Type-C 生态系统中具有卓越的兼容性和性能。随着 USB PD 规范的不断演进和 Type-C 接口的广泛应用，FUSB302MPX 将继续在统一充电和数据连接方面发挥关键作用。